domingo, 9 de septiembre de 2012

Semiconductores


ELECTRONICA
SEMICONDUCTORES
Estos tipos de  materiales se forman con elemento de grupo 4 o bien por medio de combinaciones de elementos del grupo 3 y 5 (en proporciones similares) de la tabla periódica. Podemos encontrar materiales semi-conductores intrínsecos y extrínsecos
Los semiconductores  intrínsecos están constituidos solo por el elemento principal, careciendo de otros elementos o impurezas además son regulables, esto significa que poseen una estructura cristalina cuyo ordenamiento es constante y sin imperfecciones a lo largo de toda  la pieza del material
Los extrínsecos son  generalmente mono-cristalinos (muy regulables) tiene una pequeña cantidad controlada de impurezas, las cuales son seleccionados previamente. Las impurezas tienen como función alterar la estructura semi-conductor anfitrión, variando considerablemente las propiedades de conducción eléctrica de este volumen confiriéndole una cierta polaridad pudiendo ser:
·         P (exceso de cargas positivas)
·         N (ausencia o falta de electrones)
Los 2 elementos mas utilizados son:
·         Silicio
·         Germanio
Diodos semiconductores
El diodo semiconductor es el dispositivo semiconductor más sencillo y se puede encontrar, prácticamente en cualquier circuito electrónico.
Actualmente los diodos se fabrican a partir de la unión de dos materiales semiconductores de características opuestas, es decir, uno de tipo N y otro de tipo P. A esta estructura se le añaden dos terminales metálicos para la conexión con el resto del circuito. En la Figura 3: se presenta el esquema de los dos tipos de diodos que se fabrican actualmente, el diodo vertical y el plano.

Su representación simbólica es:


Los diodos constan de dos partes, se forman al juntar un cristal tipo N y otro tipo P, separados por una juntura llamada barrera o unión.Esta barrera o unión es de 0,2 a 0.3V en el diodo de germanio y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio

Principio de operación de un diodo

El semiconductor tipo N tiene electrones libres (exceso de electrones) y el semiconductor tipo P tiene huecos libres (ausencia o falta de electrones).
Da la impresión que al juntar estos dos cristales de cargas opuestas, en la unión de ambos se produciría una neutralización de cargas, pero no es así ya que en dicha unión aparece una pequeña barrera por efecto de la repulsión que evita este fenómeno.
Ahora bien, si conectamos un generador al diodo, de tal forma que el polo positivo de este coincida con el cristal tipo P y el negativo con el cristal tipo N, las cargas negativas serán repelidas hacia a superficie de la unión con gran fuerza y vencerán de este modo la barrera existente en la unión de los materiales (conocida coma zona desierta o región de agotamiento). Por lo tanto, se producirá una corriente eléctrica IF a través del diodo, neutralizándose los electrones con los huecos.

Si conectáramos el generador en sentido contrario los electrones libres del cristal N se sentirían atraídos por el polo positivo del generador y los huecos por el polo negativo del mismo, creándose en la unión una especie de vacío que evita la circulación de corriente a través del diodo. En este caso se ha conectado el diodo en sentido inverso.

A pesar de ello siempre existe una pequeña corriente de fuga que recibe el nombre decorriente inversa del diodo (IR)


TIPOS DE DIODOS
Diodo Zener
El diodo Zener es un tipo especial de diodo, que siempre se utiliza polarizado inversamente.

Recordar que los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan sus características de polarización directa y polarización inversa), conducen siempre en el sentido de la flecha.
En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo. Si el diodo zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador común.
Cuando el diodo zener funciona polarizado inversamente mantiene entre sus terminales un voltaje constante.
En el gráfico se ve el símbolo de diodo zener (A - ánodo, K - cátodo) y el sentido de la corriente para que funcione en la zona operativa.

Curva característica del diodo Zener

Analizando la curva del diodo zener se ve que conforme se va aumentando negativamente el voltaje aplicado al diodo, la corriente que pasa por el aumenta muy poco.




Pero una vez que se llega a un determinado voltaje, llamada voltaje o tensión de Zener (Vz), el aumento del voltaje (siempre negativamente) es muy pequeño, pudiendo considerarse constante.
Para este voltaje, la corriente que atraviesa el diodo zener, puede variar en un granrango de valores. A esta región se le llama la zona operativa.
Esta es la característica del diodo zener que se aprovecha para que funcione como regulador de voltaje, pues el voltaje se mantiene prácticamente constante para una gran variación de corriente


 

Diodo LED.

(Diodo emisor de luz. Light-EmittingDiode)

Si alguna vez ha visto, unas pequeñas luces de diferentes colores que se encienden y apagan, en algún circuito electrónico, ha visto los diodos LED en funcionamiento.


El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz.
Existen diodos LED de varios colores que dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo, entre otros.
Eléctricamente el  diodo LED se comporta igual que un diodo de silicio o germanio.
Aplicaciones
Este se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación específica de funcionamiento.
·         Ejemplos
- Se utilizan para desplegar contadores
- Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente continua.
- Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna.
- En dispositivos de alarma, etc.

Diodo Schottky

A diferencia del diodo semiconductor normal que tiene una unión P–N, el diodo schottky tiene una unión Metal-N.
Estos diodos se caracterizan por su velocidad de conmutación, una baja caída de Voltaje cuando están polarizados en directo (típicamente de 0.25 a 0.4 voltios).
El diodo Schottky está más cerca del diodo ideal que el diodo semiconductor común pero tiene algunas características que hacen imposible su utilización en aplicaciones de potencia.
Estas son:
-   El diodo Schottky tiene poca capacidad de conducción de corriente en directo (en sentido de la flecha).
Esta característica no permite que sea utilizado como diodo rectificador. Hay procesos de rectificación (por ejemplo fuentes de alimentación) en que la cantidad de corriente que tienen que conducir en sentido directo es bastante grande.
-   El diodo Schottky no acepta grandes voltajes que lo polaricen inversamente (VCRR).
El proceso de rectificación antes mencionado también requiere que la tensión inversa que tiene que soportar el diodo sea grande.
Sin embargo el diodo Schottky encuentra gran cantidad de aplicaciones en circuitos de alta velocidad como en computadoras, donde se necesitan grandes velocidades de conmutación y su poca caída de voltaje en directo causa poco gasto de energía.
El símbolo del diodo Schottkyse ve en el siguiente diagrama:
El diodo Tunnel se comporta de una manera muy interesante conforme se le va aumentando una tensión aplicada en sentido directo.
-   Cuando se aplica una pequeña tensión, el diodo tunnel empieza a conducir (la corriente empieza a fluir).

- Si se sigue aumentando esta tensión la corriente aumentará hasta llegar un punto después del cual la corriente disminuye.

- La corriente continuará disminuyendo hasta llegar al punto mínimo de un "valle".

- Después volverá a incrementarse. En esta ocasión la corriente continuará aumentando conforme aumenta la tensión.

Así, estos diodos sólo encuentran aplicaciones reducidas como en circuitos osciladores de alta frecuencia.
Diodo varactor (Varicap)
(Características, relación tensión-capacitancia)






Todos los diodos cuando están polarizados en sentido opuesto tienen una capacitancia que aparece entre sus terminales.
Los diodos varactores o varicap han sido diseñados de manera que su funcionamiento sea similar al de un capacitor y tengan una característica capacitancia-tensión dentro de límites razonables.
En el siguiente gráfico se muestra las similitudes entre un diodo y un capacitor.
Debido a la recombinación de los portadores en el diodo, una zona de agotamiento se forma en la juntura.
Esta zona de agotamiento actúa como un dieléctrico (aislante), ya que no hay ninguna carga y flujo de corriente.
Las áreas exteriores a la zona de agotamiento si tienen portadores de carga (área semiconductor). Se puede visualizar sin dificultad la formación de un capacitor en el diodo (dos materiales semiconductores deparados por un aislante).
La amplitud de la zona de agotamiento se puede ampliar  incrementando la tensión inversa aplicada al diodo con una fuente externa.


Esto causa que se aumente la separación (aislante) y separa más las áreas semiconductoras. Este último disminuye la capacitancia.
Entonces, la capacitancia es función de la tensión aplicada al diodo.
-   Si la tensión aplicada al diodo aumenta la capacitancia disminuye.
-   Si la tensión disminuye la capacitancia aumenta


Símbolo del diodo varactor

 Diodo Gunn


Efecto Gunn

El efecto fue descubierto por Gunn en 1963. Este efecto es un instrumento eficaz para la generación de oscilaciones en el rango de las microondas en los materiales semiconductores.
Gunn observó esta característica en el Arseniuro de Galio (GaAs) y el Fósforo de Indio (InP)
El efectoGunn es una propiedad del cuerpo de los semiconductores y no depende de la unión misma, ni de los contactos, tampoco depende de los valores de voltaje y corriente y no es afectado por campos magnéticos.
Cuando se aplica un pequeño voltaje continuo a través de una plaquita delgada de Arseniuro de Galio (GaAs), ésta 
presenta características de resistencia negativa. Todo esto bajo la condición de que el voltaje en la plaquita sea mayor a los 3.3 voltios / cm.
Ahora, si esta plaquita es conectada a un   circuito sintonizado, se producirán oscilaciones y todo el conjunto se puede utilizar como oscilador.
 Este efecto Gunn sólo se da en materiales tipo N (material con exceso de electrones) y las oscilaciones se dan sólo cuando existe un campo eléctrico.
Estas oscilaciones corresponden aproximadamente al tiempo que los electrones necesitan para atravesar una
plaquita de material tipo N cuando se aplica el voltaje en continua.




Diodos de potencia
Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, las siguientes limitaciones: son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conducción. El único procedimiento de control es invertir el voltaje entre ánodo y cátodo.



Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas.
El diodo conduce si el voltaje aplicado es mayor que un voltaje especifico llamado VOLTAJE OTENSION UMBRAL de corte de activación, el cual típicamente es de 0.7 volt
Cuando el potencial del cátodo es positivo respecto al ánodo, se dice que el diodo tiene polarización INVERSA
En esta condición fluye una pequeña corriente inversa (llamada corriente de fuga) en el rango de los  µA (micro Amper) a mA (mili Amper), cuya magnitud crece lentamente  en función del voltaje inverso, hasta llegar a un voltaje de avalancha o zener
Si el voltaje inverso es alto, por lo general mayor  a  1000V supera un voltaje de ruptura. En este punto la corriente inversa aumenta rápidamente, pero el dispositivo no se destruirá, siempre y cuando la disipación de potencia este dentro del nivel seguro especificado en la hoja de datos del fabricante

La curva característica será la que se puede ver en la parte superior, donde:
VRRM: tensión inversa máxima 

VD: tensión de codo.

A menudo es necesario limitar la corriente inversa, en la región de ruptura, a fin de mantener la disipación de la energía dentro de los valores permisibles
Cuando un diodo esta en modo de “conducción directa” y su corriente se reduce a cero, el diodo continúa conduciendo por un corto periodo de tiempo determinado “tiempo de recuperación inversa”


TIRISTORES
 Los tiristores es un dispositivo semiconductor formado por 4 o más capas alternadas tipo N y P , que producen un efecto de enclavamiento, al cual los hace extremadamente útiles en aplicaciones de computación y de control de potencia. Por lo general cuentan con 3 terminales, llamados la compuerta, el ánodo y el cátodo.

             
 Según  la construcción física y la metodología de activación-desactivación, los tiristores  pueden clasificarse en varios tipos:
-TIRISTORES DE CONTROL DE FASE (SCR): es muy utilizado como interruptor de potencia, pudiendo  conmutar corrientes desde 1 hasta mas de 2500 A.  Posee un tercer terminal llamado compuerta (gate) ,se referencia con una letra G y actúa como un terminal de control de disparador.



-TIRISTORES DE CONMUTACION RAPIDA: como su nombre lo indica , estos dispositivos pueden conmutar a altas velocidades. Están diseñados para soportar cambios bruscos en el voltaje alrededor  de 1000V/us y 1000A/us. La desactivación rápida es muy importante para reducir el tamaño de los demás componentes del circuito de conmutación.





 ACTIVACIÓN DE UN TIRISTOR


                                                                                                                                                            
Temperatura                Variación rápida                    Luz               Voltaje                   Corriente de
del voltaje                                                                                                                       compuerta
La temperatura aumenta
la corriente de derivada.
Cuando se alcanza la suficiente
corriente el tiristor pasara a
estado de conducción.


Si el voltaje ánodo -                                                   cátodo cambia de manera brusca, se origina un proceso de disparo
Si se logra hacer llegar la luz hasta las uniones de un tiristor, se puede activar este. Los dispositivos de este tipo se denominan LACS (light) actívate silicon
Al aumentar el voltaje ánodo -cátodo hasta llegar a Vd.
Si un tiristor esta polarizado directamente, la inyección de una corriente de compuerta, debido a un a voltaje positivo de compuerta, entre ella y los terminales del cátodo provocara su activación

Tipos de tiristores

Tiristores de control de fase (SCR)


Es utilizado como interruptor de potencia, posee un tercer terminal llamado compuerta (gate) que actúa como un terminal disparador del mismo.

Tiristores de conmutación rápida
Este dispositivo puede conmutar a altas velocidades, soporta cambios bruscos en el voltaje.



 CONMUTACIÓN
 El proceso de desactivación de un tiristor se denomina conmutación. Requiere componentes adicionales como condensadores e inductancias que permiten, en un momento dado llevar a 0 la corriente o el voltaje en el dispositivo.

TRANSISTOR
Dispositivo semiconductor que permite el control y la regulación de una corriente grande mediante una señal muy pequeña. Existe una gran variedad de transistores. En principio, se explicarán los bipolares. Los símbolos que corresponden a este tipo de transistor son los siguientes:





POLARIZACIÓN DE UN TRANSISTOR
Una polarización correcta permite el funcionamiento de este componente. No es lo mismo polarizar un transistor NPN que PNP.



Polarización de un transistor NPN
Polarización de un transistor PNP
Generalmente podemos decir que la unión base - emisor se polariza directamente y la unión base - colector inversamente.
Estudio de las corrientes
El análisis del transistor se realizará para una estructura NPN, y es análogo para el PNP.
Un transistor sin polarizar se comporta como dos diodos en contraposición, y no existen corrientes notables circulantes por él. Si se polariza, aparecen tres corrientes distintas, la corriente de base, IB, corriente de emisor, IE, y por último la corriente de colector, IC. En la figura siguiente están dibujadas estas corrientes según convenio, positivas hacia adentro:



Corriente en un transistor.
De estas tres corrientes, la del emisor es la más grande, puesto que éste se comporta como fuente de electrones. La corriente de base es muy pequeña, no suele llegar al 1% de la corriente de colector.

Configuraciones
Dependiendo de cuál sea el terminal común a la entrada y a la salida del transistor, se distinguen tres tipos de configuraciones:
Configuración en base común. La base constituye el terminal común a la entrada y a la salida, se encuentra unida a masa. La ganancia en corriente de este circuito es la unidad, pero sin embargo la ganancia en tensión puede ser muy alta y, por lo tanto, también la ganancia en potencia. Esta configuración presenta muy poca realimentación entre la entrada y la salida, por lo que se emplea especialmente en circuitos de frecuencias altas o muy altas.
Configuración en emisor común. El emisor está unido a tierra. La ganancia en corriente es alta (la Beta del transistor), la ganancia en tensión y en potencia (dependiente de la carga de colector) es igualmente alta. Es la configuración más utilizada.
Configuración en colector común. En este caso, el terminal que está conectado a masa es el colector. La entrada se aplica a la base, como en las configuraciones anteriores y la carga entre el emisor y masa. Esta configuración tiene una ganancia en corriente de la beta del transistor, la ganancia en tensión es muy parecida, pero inferior a la unidad, y la ganancia en potencia es aproximadamente la beta del transistor. Esta configuración se llama también seguidor de emisor; se emplea para aislar o adaptar impedancias, ya que el circuito de base ofrece a la señal una impedancia beta veces inferior a la que se encuentra en el emisor. Se conoce como seguidor de emisor porque la tensión en el emisor "sigue" a la de base.





Estado de un transisto
Para tener una idea aproximada del estado de un transistor procederemos de la siguiente manera con el tester(multímetro, óhmetro):Comprobación de un PNP,colocamos la punta negra del multímetro en la base y tocamos alternativamente los extremos(colector y emisor), deberá indicar alta resistencia, invertimos las puntas(punta roja en base) y procesemos como se indicó anteriormente, debe de marcar baja resistencia(1 a 20 ohmios). Para los NPN seguimos el mismo procedimiento, en este caso las lecturas serán inversas. 



Tipos de Transistores
Existen distintos tipos de transistores, de los cuales la clasificación más aceptada consiste en dividirlos en transistores bipolares o BJT (Bipolar Junction Transistor) y transistores de efecto de campo o FET (Field Effect Transistor). La familia de los transistores de efecto de campo es a su vez bastante amplia, englobando los JFET, MOSFET, MISFET, etc...

La diferencia básica entre ambos tipos de transistor radica en la forma en que se controla el flujo de corriente. En los transistores bipolares, que poseen una baja impedancia de entrada, el control se ejerce inyectando una baja corriente(corriente de base), mientras que en el caso de los transistores de efecto de campo, que poseen una alta impedancia, es mediante voltaje (tensión de compuerta).

Transistores Bipolares
Los transistores bipolares surgen de la unión de tres cristales de semiconductor con dopajes diferentes e intercambiados. Se puede tener por tanto transistores PNP o NPN. Tecnológicamente se desarrollaron antes que los de efecto de campo o FET.
Transistores de efecto de campo
Los transistores de efecto de campo o FET más conocidos son los JFET (Junction Field Effect Transistor), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) y MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET).

Tienen tres terminales denominadas puerta (o gate) a la equivalente a la base del BJT, y que regula el paso de corriente por las otras dos terminales, llamadas drenaje (drain) y fuente (source).

Presentan diferencias de comportamiento respecto a los BJT. Una diferencia significativa es que, en los MOSFET, la puerta no absorbe intensidad en absoluto, frente a los BJT, donde la intensidad que atraviesa la base es pequeña en comparación con la que circula por las otras terminales, pero no siempre puede ser despreciada.

Así como los transistores bipolares se dividen en NPN y PNP, los de efecto de campo o FET poseen también dos tipos. Aquellos en los cuales la aplicación del voltaje de gate o puerta produce un aumento de la resistencia al paso de la corriente, y aquellos en que dicha tensión la disminuye.

POLARIDAD DE LOS TRANSISTORES 


NPN Es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P"se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones deltransistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que  la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación. Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector. La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal de l emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.



PNPEl otro tipo de transistor bipolar de juntura es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoríade las circunstancias. Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector amasa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector. La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.
PRÁCTICA

Transistores: polarización y aplicaciones
El objetivo de esta práctica es observar las características corriente tensión de un transistor bipolar,comprobar su punto de operación estacionario y mostrar su aplicación en la realización de circuitos amplificadores.
Un transistor bipolar (BJT) está formado por tres regiones de semiconductor dopadas alternativamente, en cada una de las cuales se establece un contacto metálico. Existen dos tipos:






Tomaremos como referencia para aplicar las tensiones el terminal del emisor. Cuando las tensiones aplicadas a la base y al colector son negativas en los transistores p‐n‐p o positivas en los transistores n‐p‐n, decimos que el transistor está trabajando/polarizado en la zona activa directa. En estas condiciones de polarización, al estar la unión base‐emisor en directa y la base‐colector en inversa, se cumple que la corriente de colector, IC, prácticamente no depende de la tensión aplicada al colector y es proporcional a la corriente de base, IB:











No hay comentarios:

Publicar un comentario en la entrada